Tekstury

Synteza i obróbka obrazu

Opracowanie:

dr inż. Grzegorz Szwoch

Politechnika Gdańska

Katedra Systemów Multimedialnych

Tekstura

� Tekstura (texture) – obraz rastrowy (mapa bitowa, bitmap) nakładany na powierzchnię modelu obiektu.

� Pozwala uwidocznić szczegóły obiektu.

� Wartości pobrane z tekstury są uwzględniane w procesie cieniowania.

Tekstury

Przykład - scena bez teksturowania (tylko cieniowanie) oraz z nałożeniem tekstur

Odwzorowanie tekstury

� Teksel (texel) – piksel tekstury.

� Współrzędne UV tekstury – unormowane do zakresu od 0 do 1.

� Odwzorowanie tekstury (texture mapping) – przypisanie współrzędnych UV tekstury do współrzędnych XYZ modelu.

� W przypadku siatki trójkątowej:wsp. UV zapisywane sąw werteksach siatki.

� Inna nazwa:mapowanie UV.

Odwzorowanie tekstury

Przykład:

Odwzorowanie tekstury

Podczas modelowania obiektu, grafik „maluje”teksturę na rozłożonej siatce obiektu i tworzy mapowanie współrzędnych.

Odwzorowanie tekstury

Można stosować współrzędne UV spoza zakresu (0, 1). Znaczenie zależy od wybranego trybu.

Np. 1.2 może oznaczać to samo, co:

� 1.0 (ograniczenie),

� 0.2 (powtórzenie, 1.2 – 1.0)

� 0.8 (odbicie, 1.0 – (1.2 – 1.0))

Próbkowanie tekstury

� Współrzędne UV tekstury są zapisane w wierzchołkach siatki modelu.

� Rasteryzer interpoluje je dla wybranego fragmentu wewnątrz trójkąta.

� Tekstura jest próbkowana w miejscu wskazanym przez interpolowane współrzędne.

� Wykonuje to obiekt nazywany samplerem.

� Pobrana z tekstury barwa jest stosowana w procesie cieniowania – łączona z barwąświatła i obiektu.

Próbkowanie tekstury

Przykład:

� Tekstura o wymiarach 512x512 pikseli.

� Z interpolacji wychodzą współrzędne UV = (0.34, 0.78).

� Przeliczenie na współrzędne pikseli:(174.08, 399,36).

� Jak zinterpretować „ułamkowe” piksele?

� Najprostsze podejście: zaokrąglić(174, 399).

Próbkowanie punktowe

� Najprostsze podejście – zaokrąglenie do najbliższego teksela – próbkowanie punktowe(point sampling).

� Inaczej: metoda najbliższego sąsiada(nearest neighbour).

� Wada: może się zdarzyć, że wiele fragmentów spróbkuje ten sam teksel.

� Efekt: zblokowanie pikseli („pikseloza”).

Filtracja dwuliniowa

Lepsze podejście:

� spróbkowanie 4 najbliższych tekseli,

� interpolacja dwuliniowa, w zależności od odległości od punktu próbkowania.

� Filtracja dwuliniowa tekstury (bilinear filtering) wygładza przejścia między barwami.

� Przy małej rozdzielczości może spowodowaćrozmycie tekstury.

Filtracja dwuliniowa

Próbkowanie punktowe Filtracja dwuliniowa

Filtrowanie tekstur

Próbkowanie punktowe Filtracja dwuliniowa

MIP mapping

Problem rozdzielczości tekstury:

� obiekt blisko kamery – potrzebna tekstura o dużej rozdzielczości,

� obiekt daleko od kamery – potrzebna tekstura o małej rozdzielczości,

� zbyt mała rozdzielczość – tekstura „rozmazana”,

� zbyt duża rozdzielczość – utrata szczegółów.

MIP mapping

� MIP mapping – tworzonych jest wiele wersji (mipmap) tej samej tekstury o różnych rozdzielczościach (różnych poziomach MIP) – automatycznie lub ręcznie.

� Wybierana jest mipmapa o rozmiarach najlepiej pasujących do pokrywanego obszaru.

� Unikamy zniekształceń tekstur.

� Potrzebujemy więcej pamięci.

� Rasteryzer sam dobiera właściwy poziom.

MIP mapping

Tekstura powiększona (bez MIP)

MIP mapping

� W praktyce, system skaluje załadowanąteksturę „w dół”, więc należy podać teksturęo maksymalnej rozdzielczości.

� Mipmapy są przechowywane w pamięci w układzie pozwalającym na łatwe próbkowanie tekseli.

MIP mapping

� MIP mapping w połączeniu z filtracjądwuliniową:

–wybór „najbliższej” mipmapy,

–filtrowanie dwuliniowe z tej tekstury.

� Dobry rezultat, o ile kamera się nie rusza.

� Przy ruchach kamery – zbliżaniu i oddalaniu się od obiektu – może być zauważalne „przeskakiwanie” między mipmapami.

Filtracja trójliniowa

Filtracja trójliniowa (trilinear filtering):

� wybór dwóch najbliższych mipmap– większej i mniejszej niż potrzebna,

� próbkowanie 4 tekseli z każdej mipmapy,

� interpolacja barwy w trzech wymiarach.

Daje lepsze wyniki niż dwuliniowa przy ruchu kamery. Przy statycznej kamerze różnica jest niezauważalna.

Wymaga większej liczby operacji.

Filtracja anizotropowa

� Filtracja dwu- i trójliniowa: problem przy pokrywaniu dużych powierzchni ułożonych pod dużym kątem względem obrazu (podłoże, ściany).

� Blisko kamery – właściwa rozdzielczość.

� Dalsze plany – za mała rozdzielczość, tekstura ulega rozmyciu.

� Potrzebna jest tekstura o „zmiennej rozdzielczości” zależnie od głębi obrazu.

Filtracja anizotropowa

� „Anizotropowy” – zależny od kierunku.

� Filtracja anizotropowa (anisotropic filtering) tworzy „mipmapy” przeskalowane niejednorodnie.

� Liczba pobieranych próbek tekstury zależy od ułożenia powierzchni – nie zakłada się, że piksel „jest kwadratowy”.

� Algorytm bardzo obciążający pamięći procesor GPU.

F. trójliniowa F. anizotropowa

Filtracja anizotropowa

Przykład mapy anizotropowej tekstur- kopie skalowane niejednorodnie.

Filtracja anizotropowa

� Rząd filtracji (anisotropic order) – maksymalny współczynnik skalowania. Parametr często dostępny w opcjach gier.

� Np. współczynnik 8 oznacza, że maksymalny poziom skalowania wynosi 8:1.

� Wyższy poziom może poprawić ostrośćszczegółów w dalszych planach, ale zwiększa czas obliczeń.

Porównanie metod filtracji

Porównanie metod filtracji

Tekstury a cieniowanie

Wykorzystanie tekstur w procesie cieniowania: barwa fragmentu jest iloczynem:

� barwy światła (kierunkowego, otoczenia),

� barwy obiektu (zwykle biała),

� współczynnika oświetlenia (cos α),� barwy spróbkowanej z tekstury, zazwyczaj

po filtracji.

Można ustawić barwę obiektu na inną niż biała – wtedy zabarwimy teksturę.

Tekstury a cieniowanie

Przykład obliczeń (źródło kierunkowe):

� barwa światła kierunkowego: (0.9, 0.9, 0.8)

� barwa obiektu: (1, 1, 1)

� obliczenie cieniowania Lamberta: θ = 30°, cos(θ) = 0.866

� barwa pobrana z tekstury: (0.1, 0.3, 1.0)

� wynikowa barwa fragmentu:(0.9, 0.9, 0.8) ⋅ (1, 1, 1) ⋅ 0.866 ⋅ (0.1, 0.3, 1.0) = (0.08, 0.23, 0.69)

Specjalne typy tekstur

� Wielotekstury (multitextures) – więcej niżjedna tekstura przypisana do danego obiektu.

� Tekstury dynamiczne – obliczane w trakcie renderingu i nakładane na obiekt (np. mapy światła, odbicia zwierciadlane).

� Mapy głębokości (nierówności) – informacje o głębi tekstury.

� Tekstury tła (skybox, cube).

� Tekstury 3D – z zapisaną informacją o głębi tekstury.

Podsumowanie – opis wierzchołka w modelu

Jeden wierzchołek obiektu:

� współrzędne wierzchołka (x, y, z)

� współrzędne wektora normalnego [x, y, z]

� barwa odbitego światła otoczenia A(zwykle biała: 1,1,1)

� barwa odbitego światła kierunkowego D(zwykle biała: 1,1,1)

� materiał – barwa odblasku S (r, g, b)

� współrzędne tekstury (u, v)